传感器与测试技术.doc

第一批次作业
一、填空题：
1. 测量系统的静态特性指标主要有 线性度、迟滞、重复性、分辨力、稳定性、温度稳定性、各种抗干扰稳定性等。
2. 霍尔元件灵敏度的物理意义是 表示在单位磁感应强度相单位控制电流时的霍尔电势大小 。
3. 光电传感器的理论基础是光电效应。通常把光线照射到物体表面后产生的光电
效应分为三类。第一类是利用在光线作用下 光电子逸出物体表面的外光电
效应,这类元件有 光电管、光电倍增管 ；第二类是利用在光线作用下使材料内部电阻率改变的内光电效应，这类元件有 光敏电阻；第三类是利用在光线作用下使物体内部产生一定方向电动势的光生伏特效应，这类元件有光电池、光电仪表、光敏二极管及光敏三极管 。
4.压磁式传感器的工作原理是：某些铁磁物质在外界机械力作用下，其内部产生机械压力，从而引起 极化现象 ，这种现象称为 正压电效应 。
5. 传感器是 能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置 ， 传感器通常由直接响应于被测量的 敏感元件和产生可用信号输出的_转换元件 以及相应的 信号调节转换电路 组成。
6. 在变压器式传感器中，一次侧和二次侧互感M的大小与 绕组匝数 成正比，与 穿过线圈的磁通成正比，与磁回路中 _ 磁阻 成反比。
7. 测量过程中存在着测量误差，按性质可被分为 绝对误差、 _相对误差 和 _引用误差_三类，其中 _绝对误差 可以通过对多次测量结果求 _平均__ 的方法来减小它对测量结果的影响。
8. 光电传感器的工作原理是基于物质的光电效应，目前所利用的光电效应大致有三大类：第一类是利用在光线作用下 材料中电子溢出表面的现象，即 外光电 效应，光电管及光电 倍增管_ 传感器属于这一类；第二类是利用在光线作用下 _材料的电阻率发生改变的_现象，即 内光电 效应。 光敏电阻 传感器属于这一类。第三类是利用在光线作用下产生 光势垒 现象，即 _光生伏特 效应， 光敏二极管及光敏三极管传感器属于这一类。
9. 偏差式测量是指_在测量过程中,用仪器表指针的位移(即偏差)来表示被测量的测量 方法；零位测量是指 测量时用被测量与标准量相比较，用指零仪表指示被测量与标准量相等（平衡），从而获得被测量方法；
10.电位器或电阻传感器按特性不同，可分为 线性电位器 和 非线性电位器 。 线性电位器
的理想空载特性曲线具有严格的 线性 关系。假定电位器全长为Xmax，其总电阻为Rmax，它的滑臂间的阻值可以用Rx= 来计算。假定加在电位器A、B

之间的电压为Umax，则输出电压为Ux=。其电阻灵敏度RI= 。电压灵敏度RU=。

11.测量过程中存在着测量误差。绝对误差是指 测量值与真实值之差 ，其表达式为 △=X—L；相对误差是指 测量所造成的绝对误差与被测量〔约定〕真值之比，其表达式为 δ=△/Lx100%；引用误差是指 测量的绝对误差与仪表的满量程值之比 其表达式为 γ=△/测量范围的上限x100% 。
12.光栅传感器中莫尔条纹的一个重要特性是具有位移放大作用。如果两个光栅距相等，即W=0.02mm，其夹角θ=0.1°，则莫尔条纹的宽度B= 11.43mm 莫尔条纹的放大倍数K= 573.2 。
13.测量系统的静态特性指标通常用 输入量与输出量的对应关系 来表征。
14. 传感器是 能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置 传感器通常由直接响应于被测量 敏感元件 和产生可用信号输出的 转换元件 以及相应的 信号调节转换电路 组成。
15、压电式传感器的信号转换电路有 电压 放大器和 电荷 放大器两种。

第二批次作业

一、 单选题：
1. 属于传感器动态特性指标的是（ D．） D：固有频率
2. 在变压器式传感器中，一次侧和二次侧互感M的大小与二次侧线圈的匝数成（A）。
A：正比
3. 平行极板电容传感器的输入被测量与输出电容值之间的关系中，（A）是线性的关系。
A：变面积型
4. 在变压器式传感器中，一次侧和二次侧互感M的大小与一次侧线圈的匝数成（B）。
B.反比
5. 涡流传感器的工作原理是:当被测对象变化时,可引起传感器线圈的( C)发生变化. C：阻抗
6. 按照工作原理分类，固体图象式传感器属于（A）。 A：光电式传感器
7. 测量范围大的电容式位移传感器的类型为（D）。 D：容栅型
8.电容传感器的输入被测量与输出被测量间的关系，除（B）外是线性的。 B：变极距型
9.变面积式自感传感器，当衔铁移动使磁路中空气缝隙的面积增大时，铁心上线圈的电感量（A）。 A：增大
10.利用相邻双臂桥检测的应变式传感器，为使其灵敏度高、非线性误差小（C）
C：两个桥臂应当分别用应变量变化相反的工作应变片
11. 将电阻R和电容C串联后再并联到继电器或电源开关两端所构成的RC吸收电路，其作用是（D） D：消除电火花干扰
12. 在变压器式传感器中，一次侧和二次侧互感M的大小回路中磁阻成（C）。C：不成比例
13. 固体半导体摄像元件CCD是一种（ C．） C：MOS型晶体管开关集成电路
14. 下列被测物理量适合于使用红外传感器进行测量的是（ C．） C：温度
15. 超声波传感器的波型有:(A) A：纵波
16. 在变压器式传感器中，一次侧和二次侧互感M的大小与一次侧线圈的匝数成（B）
B：反比
17. 在平行极板电容传感器的输入被测量与输出电容值之间的关系中，（A）是线性的关系。
A：变面积型
18.变面积式自感传感器，当衔铁移动使磁路中空气缝隙的面积增大时，铁心上线圈的电感量（A ）。 A：增大
19.仪表的精度等级是用仪表的（C）来表示的。 C：引用误差
20.变气隙式自感传感感器，当街铁移动靠近铁心时，铁心上的线圈电感量(A ) A：增加

第三批次作业
一、 论述题：
1. 什么是传感器动态特性和静态特性，简述在什么频域条件下只研究静态特就能够满足通常的需要，而在什么频域条件下一般要研究传感器的动态特性？
传感器的特性是指传感器所特有性质的总称。而传感器的输入输出特性是其基本特性，一般把传感器作为二端网络研究时，输入输出特性是二端网络的外部特性，即输入量和输出量的对应关系。由于输入量的状态（静态、动态）不同分静态特性和动态特性。静态特性是指当输入量为常量或变化极慢时传感器输入-输出特性。动态特性指当输入量随时间变化时传感器的输入-输出特性。可以从时域和频域来研究动态特性。
2. 简述霍尔电动势产生的原理。
一块半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场(磁场方向垂直于薄片)中，当有电流I流过时，电子受到洛仑兹力作用而发生偏转。结果在半导体的后端面上电子有所积累。而前端面缺少电子，因此后端面带负电，前端面带正电，在前后端面形成电场，该电场产生的力阻止电子继续偏转当两力相平衡时，电子积累也平衡，这时在垂直于电流和磁场的方向上将产生电场，相应的电势称为霍尔电势UH。
3.分析应变片式传感器在使用单臂电桥测量电路时由于温度变化而产生测量误差的过程。
在外界温度变化的条件下，由于敏感栅温度系数 αt及栅丝与试件膨胀系数（βɡ与βS）之差异性而产生虚假应变输出有时会产生与真实应变同数量级的误差。
1. 简述霍尔电动势产生的原理。
一块半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场(磁场方向垂直于薄片)中，当有电流I流过时，电子受到洛仑兹力作用而发生偏转。结果在半导体的后端面上电子有所积累。而前端面缺少电子，因此后端面带负电，前端面带正电，在前后端面形成电场，该电场产生的力阻止电子继续偏转当两力相平衡时，电子积累也平衡，这时在垂直于电流和磁场的方向上将产生电场，相应的电势称为霍尔电势UH。
2. 简述热电偶的工作原理。
热电偶的测温原理基于物理的“热电效应”。所谓热电效应，就是当不同材料的导体组成一个闭合回路时，若两个结点的温度不同，那么在回路中将会产生电动势的现象。
两点间的温差越大，产生的电动势就越大。引入适当的测量电路测量电动势的大小，就可测得温度的大小。
3. 以石英晶体为例简术压电效应产生的原理。
石英晶体在沿一定的方向受到外力的作用变形时，由于内部电极化现象同时在两个表面上产生符号相反的电荷，当外力去掉后，恢复到不带电的状态；而当作用力方向改变时，电荷的极性随着改变。晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。这种现象称为正压电效应。反之，如对石英晶体施加一定变电场，晶体本身将产生机械变形，外电场撤离，变形也随之消失，称为逆压电效应。
石英晶体整个晶体是中性的，受外力作用而变形时，没有体积变形压电效应，但它具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。
4. 简述电阻应变片式传感器的工作原理
电阻应变片的工作原理是基于电阻应变效应，即在导体产生机械变形时，它的电阻值相应发生变化。

二、名词解释：

1、电阻应变片：电阻应变片也称电阻应变计,简称应变片或应变计，是由敏感栅等构成用于测量应变的元件。它能将机械构件上应变的变化转换为电阻变化。
2、传感器的定义：是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。
3、电容式传感器：把被测的机械量，如位移、压力等转换为电容量变化的传感器。它的敏感部分就是具有可变参数的电容器。其最常用的形式是由两个平行电极组成、极间以空气为介质的电容器。
4、电感传感器：将被测量变化转换成电感量变化的传感器。电感式传感器是利用电磁感应把被测的物理量如位移，压力，流量，振动等转换成线圈的自感系数和互感系数的变化，再由电路转换为电压或电流的变化量输出，实现非电量到电量的转换。
5、磁栅式传感器：利用磁栅与磁头的磁作用进行测量的位移传感器。它是一种新型的数字式传感器，成本较低且便于安装和使用。当需要时，可将原来的磁信号（磁栅）抹去，重新录制。
6、压电式传感器：将被测量变化转换成由于材料受机械力产生的静电电荷或电压变化的传感器。
7、码盘式传感器：码盘式传感器又称为角数字编码器，是一种旋转式位置传感器。电池供电电磁流量计中的码盘式传感器是建立在编码器的基础之上，它不需要基准数据，更不需要计数系统，在任意位置都可给出与位置相对应的固定数字码输出，是测量轴角位置和位移的方法之一。码盘式传感器的特点：①具有高的测量精度和分辨率，测量范围大；②抗干扰能力强，稳定性好；③信号易于处理、传送和自动控制；④便于动态及多路侧量，读数直观；⑤安装方便，维护简单，工作可靠性高。
8、莫尔条纹：是两条线或两个物体之间以恒定的角度和频率发生干涉的视觉结果，当人眼无法分辨这两条线或两个物体时，只能看到干涉的花纹，这种光学现象就是莫尔条纹。
9、超声波的波型种类及各种波型的物理意义：超声波在介质中传播可以有不同形式，它取决于介质可以承受何种作用力以及如何对介质激发超声波。通常有如下三种：1.纵波波型：当介质中质点振动方向与超声波的传播方向一致时，此超声波为纵波波型。任何固体介质当其体积发生交替变化时均能产生纵波。2.横波波型：当介质中质点的振动方向与超声波垂直时，此种超声波为横波波型。由于固体介质除了能承受体积变形外，还能够承受切变变形。当其中剪切力交替作用于固体介质时均能产生横波。横波只能在固体介质中传播。3.表面波波型：是沿着固体表面传播的具有纵波和横波的双重性质的波。表面波可以看成是由平行于表面的纵波和垂直于横波的横波合成，振动质点的轨迹为一椭圆，在距表面1/4波长深处振幅最强，随着深度的增加很快率减，实际上离表面一个波长以上的地方，质点振动的振幅已经很微弱了。
10、超声波探伤：是利用超声能透入金属材料的深处，并由一截面进入另一截面时，在界面边缘发生反射的特点来检查零件缺陷的一种方法，当超声波束自零件表面由探头通至金属内部，遇到缺陷与零件底面时就分别发生反射波来，在荧光屏上形成脉冲波形，根据这些脉冲波形来判断缺陷位置和大小。

第四批次作业
一、 判断题：
1. 传感器的动态特性是指当输入量随时间变化时传感器的输入━输出特性。静态特性是指当输入量为常量或快速变化时传感器输入━输出特性。（错）
2.按照传感型（功能型）和传输型光纤传感器的特点应该选用哪种光纤（单模/多模）？
答：功能型：多模单模皆可。非功能型：多模。 （对）
3. 自感式传感器中差分式传感器的差分式灵敏度比单极式传感器灵敏度提高一倍，且非线性大大减少。 （对）
4. 传感器（或测试仪表）在第一次使用前和长时间使用后需要进行标定工作，请问标定的意义？ 答：确定传感器静态特性指标和动态特性参数。 （对）
5. 磁电式传感器是利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端产生感应电势的。 （对）
6. 在光线作用下产生光势垒现象，即光生伏特效应， 电阻应变片、光敏二极管及光敏三极管传感器属于这一类。 （错）
7. 利用在光线作用下_材料中电子溢出表面的_现象，即外光电效应。 （对）
8. 在变压器式传感器中，一次侧和二次侧互感M的大小与绕组匝数不成正比。（错）
9. 阻应变片式传感器按制造材料可分为_金属_材料和半导体体材料。 （对）

第五批次作业
一、 论述题：
1、 寄生电容与电容传感器相关联影响传感器的灵敏度，它的变化为虚假信号影响传感器的精度。试阐述消除和减小寄生电容影响的几种方法和原理。
答：1)屏蔽和接地。2）增加原始电容值，降低容抗。3）采用同轴屏蔽线，导线和导线要离的远，线要尽可能短，最好成直角排列。4）尽可能一点接地，避免多点接地。地线要用粗的良导体和宽的印刷线。5）尽量使用差动式电容传感器，可减小非线性误差，提高灵敏度，减小寄生电容的影响及减小干扰。
电容式传感器内极板与其周围导体构成的“寄生电容”却较大，不仅降低了传感器的灵敏度，而且这些电容（如电缆电容）常常是随机变化的，将使仪器工作很不稳定，影响测量精度。因此对电缆的选择、安装、接法都有要求。若考虑电容传感器在高温、高湿及高频激励的条件下工作而不可忽视其附加损耗和电效应影响时，其等效电路如图4-8所示。图中L包括引线电缆电感和电容式传感器本身的电感；C0为传感器本身的电容；Cp为引线电缆、所接测量电路及极板与外界所形成的总寄生电容，克服其影响，是提高电容传感器实用性能的关键之一；Rg为低频损耗并联电阻，它包含极板间漏电和介质损耗；Rs为高湿、高温、高频激励工作时的串联损耗电组，它包含导线、极板间和金属支座等损耗电阻。 此时电容传感器的等效灵敏度为 当电容式传感器的供电电源频率较高时，传感器的灵敏度由kg变为ke，ke与传感器的固有电感（包括电缆电感）有关，且随ω变化而变化。在这种情况下，每当改变激励频率或者更换传输电缆时都必须对测量系统重新进行标定。
2、 在生产过程中测量金属板的厚度，非金属板材的镀层厚度时常用涡流传感器。试简要叙述说明利用涡流传感器测量金属板厚度的工作原理及实现工艺。
答：工作原理：传感器和基准面的距离是固定的，将被测物体放在基准面上以后，可测出涡流传感器与被测物体之间的距离，于是可以求出被测物体的厚度。
实现工艺：在被测物体的上下对称安装两个特性相同的传感器，两个传感器之间的距离固定不变，当被测物体通过两个传感器之间时，两个传感器分别检测到与被测物体的距离，这样就可以很精确的测量出被测物体的厚度。
３、 光纤传感器的工作原理。
光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质(如光的强度、波长、频率、相位、偏正态等)发生变化，称为被调制的信号光，再经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。
４、 简述电阻应变片式传感器的工作原理。
答：电阻应变片式传感器的工作原理是基于电阻应变效应，即在导体产生机械变形时，它的电阻值相应发生变化。
电阻应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器，传感器是由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成。当被测物理量作用在弹性元件上时，弹性元件的变形引起应变敏感元件的阻值变化，通过转换电路将其转变成电量输出，电量变化的大小反映了被测物理量的大小。
５、什么是传感器静态特性？
传感器的静态特性是指当输入量为常量或变化极慢时传感器输入—输出特性。
６、 什么是系统误差？系统误差产生的原因是什么？如何减小系统误差？
当我们对同一物理量进行多次重复测量时，如果误差按照一定的规律性出现，则把这种误差称为系统误差。
系统误差产生的原因：①工具误差：指由于测量仪表或仪表组成组件本身不完善所引起的误差。②方法误差：指由于对测量方法研究不够而引起的误差。③定义误差：是由于对被测量的定义不够明确而形成的误差。④理论误差：是由于测量理论本身不够完善而只能进行近似的测量所引起的误差。⑤环境误差：是由于测量仪表工作的环境（温度、气压、湿度等）不是仪表校验时的标准状态，而是随时间在变化，从而引起的误差。⑥安装误差：是由于测量仪表的安装或放置不正确所引起的误差。⑦个人误差：是指由于测量者本人不良习惯或操作不熟练所引起的误差。
减小系统误差的方法： ①引入更正值法：若通过对测量仪表的校准，知道了仪表的更正值，则将测量结果的指示值加上更正值，就可得到被测量的实际值。 ②替换法：是用可调的标准量具代替被测量接入测量仪表，然后调整标准量具，使测量仪表的指针与被测量接入时相同，则此时的标准量具的数值即等于被测量。 ③差值法：是将标准量与被测量相减，然后测量二者的差值。 ④正负误差相消法：是当测量仪表内部存在着固定方向的误差因素时，可以改变被测量的极性，做两次测量，然后取二者的平均值，以消除固定方向的误差因素。⑤选择最佳测量方案：是指总误差为最小的测量方案，而多数情况下是指选择合适的函数形式及在函数形式确定之后， 选择合适的测量点。
７、 什么是传感器的可靠性？可靠性设计程序和原则是什么？
传感器的可看性是指传感器在规定条件、规定时间，完成规定功能的能力。
可靠性设计程序：①建立系统可靠性模型。②可靠性分配。③可靠性分析。④可靠性预测。⑤可靠性设计评审。⑥试制品的可靠性试验。⑦最终的改进设计。
可靠性设计原则：①尽量简单、组件少、结构简单。②工艺简单。③使用简单。④维修简单。⑤技术上成熟。⑥选用合乎标准的原材料和组件。⑦采用保守的设计方案。
８、 传感器的定义和组成框图.画出自动控制系统原理框图并指明传感器在系统中的位置和作用。
传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。
传感器处于研究对象与测试系统的接口位置，即检测与控制之首。传感器是感知、获取与检测信息的窗口，一切科学研究与自动化生产过程要获取的信息都要通过传感器 获取并通过它转换成容易传输与处理的电信号，其作用与地位特别重要。
组成框图：自动控制系统原理框图： 传感器的作用：感受被测量并转换成可用输出信号传送给控制对象。

９、从传感器的静态特性和动态特性考虑，详述如何选用传感器。
考虑传感器的静态特性的主要指标，选用线性度大、迟滞小、重复性好、分辨力强、 稳定性高、抗干扰稳定性高的传感器。考虑动态特性，所选的传感器应能很好的追随输入量的快速变化，即具有很短的暂态响应时间或者应具有很宽的频率响应特性。
１０、直流电桥和交流电桥有何区别？直流电桥的平衡条件是什么？应变片式电阻传感器、自感式、互感式、涡流式、电容式、热电阻式传感器分别可采用哪种电桥作为测量电路？
根据电源不同分为直流和交流电桥。直流电桥优点：高稳定度直流电源容易获得，电桥平衡电路简单，传感器至测量仪表的连接导线分布参数影响小。但是后续要采用直流放大器，容易产生零点漂移，线路也较复杂。交流电桥在这些方面都有改进。
直流电桥平衡条件：R1/R2=R3/R4 ，R1R4=R2R3。

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